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成功する。振って。壊せ。これは、マサチューセッツ工科大学の理論物理学者である Tracy Slatyer を含む、ダークマター探偵の 3 部構成のリフレインです。
どのような種類の粒子が暗黒物質、つまり宇宙の通常の物質よりも 5 倍も大きい失われた質量の原因であるかはわかっていません。彼らがどのくらいの大きさなのか、どのように振る舞うかはわかりません。しかし、それを見つけるには 3 つの方法があります。大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) のような加速器でそれらを作ることが期待できます。敏感な直接検出実験で、標準モデルの粒子と衝突して振動するときに、それらを感知しようとすることができます。または — Slatyer が焦点を当てている方法 — 彼らが自分自身を破壊するときにそれらを確認し、それらが一緒に衝突したり、宇宙で崩壊したりして、かすかな明るい信号を生成するのを望遠鏡で観察することができます.
これまでのところ、研究者は空白を描いています。 LHC は、ヒッグス粒子を超えて新しい粒子を作ることができませんでした。直接検出実験でも、決定的な信号は検出されていません。また、暗黒物質の天文学的調査では、その正体を示す確固たる証拠は返されていません。しかし、Slatyer を含む多くの科学者は、宇宙を観測する望遠鏡の数が非常に多いため、天体物理学者がさまざまな種類の暗黒物質粒子を幅広く探索することがより現実的になっていると主張しています。 「私たちは天体物理学を行っているため、膨大な範囲のエネルギーをカバーするこれらの望遠鏡をすでに持っています」と Slatyer 氏は述べています。
Slatyer のこれまでのキャリアは、オープンソースの天体物理学データの新時代により、通常は大型望遠鏡での観測時間を確保できない初期の研究者が重要な発見を行うことができることを示しています。 2009 年、NASA のガンマ線に敏感なフェルミ望遠鏡がそのデータを公開しました。その後まもなく、Slatyer を含む観測者は、追加のガンマ線が生成されている 2 つの場所を指摘しました。
これはまさに暗黒物質が生成できると考えられている信号の種類です.衝突するダークマター粒子は、電子と陽電子を放出する可能性があります。これらは、近くの光子をガンマ線エネルギーに加速する可能性があります。ガンマ線は、天文学者が重力の証拠とは別に推測できる厚い暗黒物質の雲から発しているように見えるでしょう。接続は明確です。
2010 年、当時ハーバード大学の大学院生だった Slatyer は、仲間の大学院生である孟蘇と彼らのアドバイザーである Douglas Finkbeiner とともに、天の川の中心の周りのガンマ線のもやが拡散した雲ではなく、2 つの巨大な雲であることを示しました。銀河の中心にあるブラックホールにつながるプラズマの泡で、現在「フェルミ泡」と名付けられた構造です。その後、2015 年に、スレイヤーは、銀河中心自体のガンマ線の過剰は暗黒物質によって引き起こされたのではなく、これまで知られていなかったかすかな神秘的な天体物理的物体の集団によって引き起こされた可能性があると主張したチームの一員でした。おそらくパルサーです。 /P>
Slatyer は現在、銀河中心部で余分なガンマ線を作り出している原因を正確に特定しようとしています。彼女はまた、暗黒物質の消滅が宇宙の歴史をどのように変えたのかについても考えています. 量子 最近、これらのプロジェクトについてチャットするために彼女に追いつきました。会話の編集および要約版が続きます。
QUANTA MAGAZINE:フェルミ データが最初に現れたとき、あなたや他の人々は、銀河の中心にある強力なガンマ線信号が暗黒物質の消滅から来ているのではないかと疑っていました。でも、もうそうは思いませんよね？
TRACY SLATYER:現時点での私の個人的な推測では、これはガンマ線点源の新しい集団であり、おそらくパルサーの新しい集団です。しかし、それは本当に奇妙な人口です！つまり、銀河の円盤にはまったく見えません。フェルミがすでに見たパルサーよりも体系的に暗い新しい集団のように見えます。これらのパルサーがどこから来たのかについては、まだ十分な説明がありません。また、それらがパルサーであることも確認していません。なかなかのパズルです。
では、暗黒物質でなくても、暗黒物質がどのように見えるべきかを包括的に模倣できる天体が何であるかは不明ですか?
このような信号を発生させることができる天体物理学を理解できれば、この分野にとって非常に良いことだと思います。これは暗黒物質の信号によく似ているからです。暗黒物質でなければ、非常に効果的な偽物です。それはほとんど正しいスペクトルを持っています。それは、暗黒物質の消滅から私たちが期待するものと非常によく似た空間分布を持っています.暗黒物質の探索を行う場合、このようなシグナルを理解する必要があります。
もちろん、暗黒物質を発見したいのですが、そもそも科学をやった理由の 1 つは、誰も見たことのないものを見つけるのがとてもクールだからです。これらの信号で、私はそれらが何であるかを知りたいです。私は答えが何であるか知りたいです。答えが暗黒物質ならそれは素晴らしいことですが、答えが何であるかを知りたいだけです.
どのようにして、素粒子物理学と天文学の間のニッチ市場に入ったのですか?
私はハーバード大学大学院に進学し、リサ・ランドールとニマ・アルカニ＝ハメドと共に宇宙の超次元モデルに取り組もうと考えました。私の最初の年の終わりに、ニマはプリンストン高等研究所に引っ越すことを発表し、リサはサバティカルに行くことを発表しました。そして私は行きました：うーん、プランBが必要です.幸運なことに、私は Doug Finkbeiner という名前の天体物理学科の新しい若い教授に紹介されました。当時のダグは、素粒子物理学の訓練を受けた学生を探していました。私は多くの素粒子物理学者と話していましたが、その段階では、LHC のスイッチがオンになり、最終的にデータが得られるのを、フィールド全体が息を殺して待っていました。しかし、ダグと話をしたとき、天体物理学にはこれらすべてのデータがあり、その情報を真剣に掘り下げている人の数は、LHC データに取り組むことを計画している人の数よりもはるかに少ないことがわかりました。新しい基礎物理学の信号を探している人々について。
私は次のように思っていました:ええと、これらすべてのデータがあり、これらすべての未回答の質問があり、これらのデータには非常に興味深いことを伝えている可能性のあるこれらすべてのシグナルが隠れており、それらに取り組む人が不足しています.できます。
暗黒物質は、定義上、目に見えません。それも未発見。何に注意すればよいか、どのようにしてわかりますか?
あなたが次のように言うとしましょう:よし、暗黒物質粒子が衝突し、それらが衝突すると消滅し、標準モデル粒子を生成するという仮説を立てます。さて、これはおそらく宇宙の全生涯にわたって起こっていたと思われます.消滅速度が速すぎると、今日の暗黒物質は残っていません。遅すぎると、今日の暗黒物質が多すぎます。宇宙の暗黒物質の量を測定するだけで、暗黒物質の粒子が衝突して標準モデルの粒子に変換される速度を予測できました。次に、さまざまなオブジェクトから見るべき信号の大きさを推定します。
この推定によると、今日暗黒物質の消滅を観測できるでしょうか?
Quanta Magazine のキャサリン・テイラー
ビデオ: Tracy Slatyer は、神秘的な宇宙信号が暗黒物質以外のものであることが判明したとき、なぜ失望しないのかを説明します。
私たちは本当に非常に興味深い時期に来ています。暗黒物質が約 100 ギガ電子ボルト (陽子の質量の約 100 倍) 未満である場合、矮小銀河からの消滅信号がすでに見られるはずです。ちょうど私たちの現在の望遠鏡で。過去数年でそれを見始めたはずです。つまり、私たちの望遠鏡がこの非常に興味深い地域を調査している特別な瞬間にいます.
宇宙初期における暗黒物質の消滅の証拠についても、過去を振り返っていますね。それはどのように機能したのでしょうか?
したがって、かなりの数の興味深い効果が潜在的に存在します。私たちの宇宙の歴史には、星や銀河が現れる前に、ドナルド・トランプが言うように、宇宙がかなり低エネルギーの場所だった時期がありました.それは基本的に中性水素と中性ヘリウムと暗黒物質の塊であり、あちこちに暗黒物質の塊がありました。
初期の宇宙における暗黒物質の消滅が、高エネルギー粒子を目に見える宇宙に送り込むこの継続的かつ遍在的なポンプとして機能した場合、その暗黒宇宙の進化にかなり顕著な影響を与えた可能性があります。これは、天体物理学的プロセスで簡単に模倣できるものではありません。
その期間の観測ハンドルがあります。この期間の開始時に放出される宇宙マイクロ波背景放射の光子があり、それらはその期間、つまりこの暗い中立宇宙を通って私たちに到達します。それを変更すると、非常に敏感に測定できる宇宙マイクロ波背景放射に痕跡が残ります。
星が輝き始め、銀河が形成され始める時期に入ると、暗黒物質も凝集し、暗黒物質の衝突がはるかに頻繁になる可能性があります。この時期の暗黒物質は、この安定した高エネルギー粒子の流れを提供する可能性があります。これらの粒子は水素をイオン化できます。彼らはそれを加熱することができます.
しかし、この 4 月の論文では、暗黒物質は初期の宇宙を大きく変えることはできなかったと主張しているようです。これは、これらの効果がせいぜい微妙であることを意味しますか?
私たちは非常に具体的な 1 つの疑問を検討していました。それは、宇宙がほぼ完全に中立の状態からほぼ完全に電離した状態に急激に移行する期間である再電離において、暗黒物質が重要な役割を果たした可能性があるかということでした。そして、暗黒物質の消滅や崩壊がその特定のプロセスに大きく寄与することは難しいことがわかりました.
したがって、その論文は最初の 1 つの質問への突き刺しに過ぎませんでしたが、より広範なプログラムは、宇宙の暗黒時代から再イオン化に近い時期までの暗黒物質の消滅または崩壊の潜在的な観察可能な影響をより一般的に理解することです.
今後の展望として、新しい暗黒物質の特徴に向けて取り組んでいるアイデアは他にありますか?
私がしばらく考えていたかわいい問題があります。この特定のモデルについては、近い将来には興味深い特徴が観察できないと思われるため、これは将来の話のようなものです.
ダークセクターの考え方は、おそらくダークマターだけが新しい粒子ではないということです。おそらく暗黒物質は、普通の物質が電磁気を感じ、暗黒物質が感じないのと同じように、それが感じ、通常の物質は感じない力を通じて、それ自体と相互作用するでしょう.
反対の電荷を持つ 2 つの粒子がある場合、それらの間に電磁引力があるという事実は、それらが互いに衝突する可能性がはるかに高いことを意味します。同じように、暗黒物質が独自の力を持っている場合、それ自体と相互作用する可能性がはるかに高くなります.荷電粒子のペアが電磁気力の下でできる他のことについて考えると、起こることの 1 つは、それらが原子を形成することです。そして、これらのダーク セクターでは、同様の効果が得られる可能性があります。暗黒物質は、原子のような束縛状態を形成する可能性があります。
最終的に、この束縛された状態はおそらく消滅するので、暗黒物質の消滅が通常機能するのと同じ方法でそれ自体を破壊し、標準モデルの粒子のカスケードを提供します.しかし、束縛状態の形成、および異なる束縛状態間の遷移によって、低エネルギーの光子が生成される可能性もあります。遠い未来のシナリオで、暗黒物質の消滅信号が見られた場合、束縛状態遷移からスペクトル線のこの小さな森を検索すると、暗黒の素粒子物理学に関する多くの情報が得られる可能性があります。たとえば、重すぎて LHC で作成できなかったとしても。
束縛状態の形成を適切に計算し、観測への影響をどのように把握するかというこの問題は、私が長い間考えてきたものです.
では、スペクトル線から暗黒物質について知ることができるでしょうか?
暗黒物質のすべてのエネルギーが標準モデルの生成物に変換される、陽電子と電子の消滅のような高エネルギーのイベントが見られますが、はるかに低い質量で遷移線の小さな森も得られます。おそらく、彼らは暗黒物質が経験する可能性、それがフォースキャリアとどのように相互作用するかについてあなたに話しているでしょう.
暗黒物質の分光法を行うことができます。しかし、暗黒物質の分光法を考える前に、実際に暗黒物質の信号を見つける必要があります!
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